Shima Shahab (till vänster) arbetar med doktoranden Aarushi Bhargava för att förbereda instrument för testning i Multiphysics Intelligent and Dynamical Systems (MInDS) Laboratory vid Virginia Tech. Shahab och Bhargava tillhör ett forskarlag som utvecklat ett konceptuellt ramverk för att designa mer effektiva och effektiva läkemedelsleveranssystem.
Föreställ dig en liten kapsel, mindre än spetsen på en nål, som kan programmeras för att frigöra medicin på en specifik plats i din kropp och är billig, enkelt att göra, och effektivare än de traditionella läkemedel vi känner till idag.
Dessutom, efter att ha levererat dess medicinska innehåll, kapseln försvinner eftersom den är biologiskt nedbrytbar och består av mikroskopiska element som säkert absorberas i blodomloppet.
En sådan metod för läkemedelstillförsel skulle inleda en ny era av läkemedel. Några av världens mest förödande sjukdomar skulle kunna behandlas bättre med livräddande läkemedel som är billigare, mer allmänt tillgänglig, och prestera bättre i människokroppen.
Ett forskarteam från Virginia Tech är ett steg närmare att förverkliga den långsiktiga visionen. Fakulteten och studenter inom biomedicinsk teknik och mekanik och maskinteknik har tillbringat det senaste året med att testa hållbarheten i att använda en unik klass av designade material, tillsammans med en överraskande trigger, att bygga smartare läkemedelsleveranssystem.
Deras forskning, publicerad i RSC Advances, beskriver ett proof of concept för att använda fokuserade ultraljudsvågor för att aktivera formminnespolymerer. Senast fått uppmärksamhet för deras användning vid design av biokompatibla enheter, formminnespolymerer kan användas för att leverera läkemedel inuti människokroppen.
Aarushi Bhargava, en andraårs Ph.D. student på Virginia Techs program för ingenjörsmekanik och studiens huvudförfattare, beskrev forskningen som ett viktigt första steg i att använda formminnespolymerer för att designa och optimera effektiva läkemedelsleveranssystem för mänskligt bruk.
"Med hjälp av ultraljud, dessa system kan leverera läkemedel på ett kontrollerat sätt på den önskade målplatsen under en längre tidsperiod, något som har varit mycket svårt att göra inom området för läkemedelsleveransmekanismer, " sade Bhargava. "Shape-minne polymerer ger oss en fördel eftersom de är flexibla, biologiskt nedbrytbar, och kostnadseffektivt. De är också lätta att tillverka."
Formminnespolymerer är en klass av smarta material som har förmågan att återvända från en deformerad, tillfällig form till sin ursprungliga permanenta form när de utsätts för en extern stimulans, som ljus eller värme.
Formminnespolymerer kan omvandlas från en permanent form till en deformerad, tillfällig form vid upphettning. Denna tillfälliga form förpackar läkemedelspartiklar för leverans inuti människokroppen. När paketet når en önskad plats, fokuserade ultraljudsvågor gör att förpackningen återgår till sin permanenta form, en process som släpper ut de laddade drogpartiklarna i kroppen. Kredit:Virginia Tech
I detta projekt, ett konceptuellt ramverk för att designa en polymerbehållare med formminne är laddad med läkemedelspartiklar i sin ursprungliga form, uppvärmd, och deformeras till sin tillfälliga form. Denna tillfälliga form förpackar effektivt läkemedelspartiklarna inuti en liten kapselliknande behållare. När kapseln når sin önskade plats i kroppen, den genomgår formåterställning genom exponering för fokuserat ultraljud och frigör de laddade läkemedelspartiklarna.
Fokuserade ultraljudsvågor är de med frekvenser högre än den övre hörbara gränsen för mänsklig hörsel. Användningen av denna ovanliga trigger för att aktivera formminnespolymererna är det som skiljer teamets resultat från andra som gör liknande arbete inom området för läkemedelsleveranssystem.
Fördelarna med att använda fokuserade ultraljudsvågor för att aktivera läkemedelsleveransbehållaren med formminne, istället för ljus eller värme, inkluderar det flexibla, stimulansens icke-invasiva karaktär. Tidigare polymerbehållare med formminne har förlitat sig på naturlig kroppsvärme för aktivering och kan vara svåra att kontrollera. Andra icke-invasiva metoder, såsom magnetiska fält eller exponering för ljus, kräver speciella partiklar för att generera ett svar. Dessa ytterligare partiklar kan äventyra den biologiska nedbrytbarheten och biokompatibiliteten hos polymerer med formminne.
Shima Shahab, en biträdande professor vid institutionen för biomedicinsk teknik och mekanik och Bhargavas fakultetsrådgivare, var medförfattare till studien tillsammans med Reza Mirzaeifar, en biträdande professor i maskinteknik; Jerry Stieg, en maskiningenjör grundutbildning; och Kaiyuan Peng, en Ph.D. student på maskiningenjörsprogrammet, hela Virginia Tech.
Shahab förklarade att studiens resultat skulle bana väg för att designa mer effektiva läkemedelstillförselkapslar i framtiden, speciellt de som kan aktiveras av fokuserade ultraljudsvågor.
"Vi utvecklade ett viktigt experimentellt beräkningsramverk som kan användas för att designa olika ultraljudsaktiverade läkemedelstillförselbehållare, ", sa Shahab. "Ramverken i denna studie kan skräddarsys specifikt för olika applikationer beroende på storleken på läkemedelspartiklar, måltid för att frigöra partiklarna, och behållarens storlek och form."
Förutom att få uppmärksamhet inom området läkemedelsleveranssystem, resultaten vann nyligen priset för bästa studentuppsats vid 2017 års konferens om smarta material, Adaptiva strukturer, och intelligenta system i Snowbird, Utah.
Shahab och Mirzaeifar designade först det ursprungliga projektet i ett samarbete mellan Virginia Techs MInDS- och MultiSMArt-labb i augusti 2016. Även om teamets metoder fortfarande är år borta från kliniska tester på människor, de har lagt en viktig grund för framtida forskning.
"Studiens resultat tar oss ett steg närmare introduktionen av en effektiv ny generation av läkemedelsleveranssystem, " sade Mirzaeifar. "Vår forskning kommer att fortsätta att fokusera på detta mål."
